Naposled teleskop, ki bo gledal v začetek vesolja

Zgodba o vesoljskem teleskopu James Webb je vsaj v astronomski srenji doživela zelo nasprotujoče si odzive, tudi zato, ker se je prvotno predvideni proračun za naslednika Hubblovega vesoljskega teleskopa dvignil s prvotnih 500 milijonov dolarjev na skoraj deset milijard dolarjev, pri čemer je celo grozilo, da bo zaradi posegov politike projekt v celoti opuščen.

Premagovanje atmosfere

Zemljina atmosfera omogoča obstoj in razvoj naše oblike življenja. Sestava plinskega ovoja našega planeta pa po drugi strani predstavlja veliko oviro za opazovanje vesolja v nekaterih valovnih dolžinah. Posamezni plini v naši atmosferi namreč ne prepuščajo sevanja v vseh valovnih dolžinah. Opazovanje teles, ki sevajo z valovnimi dolžinami v ultravijoličnem, rentgenskem in gama spektru, je z zemeljskega površja oteženo ali nemogoče. Po drugi strani je na zemeljskem površju vseprisotno sevanje v infrardečem delu spektra, zaradi česar je "šum" v tem delu spektra izjemno visok. To je razlog, da je praktično nemogoče analizirati toplotno sevanje oddaljenih, zlasti hladnejših objektov v vesolju. Vse omenjeno naše opazovanje vesolja skrči bolj ali manj na vidni del spektra, radijske valove in mikrovalovno sevanje, za preostale valovne dolžine pa smo - če opazovanja opravljamo z zemeljskega površja - skoraj "slepi" in tako prikrajšani za bolj poglobljena raziskovanja v preostalih delih spektra, ki pa so za astronomijo zelo zanimivi. To je astronome že zgodaj vodilo k razmišljanju, da bi satelite zunaj atmosfere uporabili ne le za snemanje površja našega planeta, pač pa tudi za opazovanje vesolja. Ameriški astrofizik Lyman Spitzer je o podobnih vesoljskih teleskopih razmišljal že leta 1946. Do izstrelitve prvega vesoljskega teleskopa je prišlo leta 1968, ko so Američani v Zemljino orbito poslali teleskop OAO 2 (Orbiting American Observatory). Rusi so leta 1971 sledili s svojim vesoljskim teleskopom. Do danes je število uspešno izstreljenih vesoljih teleskopov nekaj deset. Med njimi je verjetno najbolj znan Hubblov vesoljski teleskop, ki je bil izstreljen leta 1990 in ki je imel na začetku velike težave v povezavi z optiko teleskopa. Hubblov vesoljski teleskop po več kot 30 letih od izstrelitve še vedno uspešno deluje in za zdaj kaže, da bodo njegovo delovanje podaljšali najmanj do konca tega desetletja. Vzdrževanje vesoljskih teleskopov je bistveno dražje od vzdrževanja teleskopov na površju Zemlje, do njih pridemo le z vesoljskimi plovili, koncept delovanja nekaterih pa ni predvidel niti tega. Senzorji na vesoljskih teleskopih so zaradi odsotnosti atmosfere osredotočeni na raziskovanje v valovnih dolžinah, ki jih ne moremo zaznavati na površju Zemlje: večina raziskuje vesolje v rentgenskem, ultravijoličnem in gama spektru.

Leta in milijoni

Zamisel o nasledniku Hubblovega vesoljskega teleskopa se je začela rojevati že na koncu 80-ih let 20. stoletja, bolj konkretno pa so k ideji pristopili leta 1996. Koncept Next Generation Space Telecope (NGST) je bil usmerjen v raziskovanje v infrardečem delu spektra. Leta 2002 so teleskop poimenovali po Jamesu Webbu, vodji ameriške vesoljske agencije NASA v obdobju 1961-1968. Imenovanje po Jamesu Webbu je v javnosti vzbudilo kar nekaj kritike. James Webb je namreč v času svojega delovanja v NASI, pa tudi sicer kazal izrazit diskriminacijski odnos do homoseksualcev in nasploh homofobne vrednote. Diskusijo o preimenovanju (v igri je bilo tudi ime Just Wonderful Space Telescope - JWST) je NASA zaključila septembra 2021 in ni spremenila imena. Prvotni proračun za teleskop je znašal 500 milijonov dolarjev, njegova izstrelitev pa je bila predvidena v letu 2007. Današnji proračun znaša slabih deset milijard dolarjev, teleskop pa 14 let po prvotno načrtovani izstrelitvi še vedno ni zapustil Zemlje.

Predlog opustitve projekta

Da bi čim bolj zmanjšali vplive infrardečega sevanja, ki prihaja s Sonca, Zemlje ali Lune in da bi hkrati znižali vzajemne gravitacijske vplive teh teles, so se odločili da bo teleskop deloval v bližini ene od petih Lagrangeevih točk, in sicer bo krožil okoli točke L2, v kateri so gravitacijski vplivi Sonca in Zemlje izenačeni, zaradi česar je orbitalna hitrost telesa okoli Sonca v tej točki enaka Zemljini. V praksi to pomeni, da bo teleskop vedno poravnan z Zemljo in Soncem, zaradi česar bo hkratna zaščita pred toplotnim sevanjem iz obeh teles olajšana. Problem točke L2 pa je, da je oddaljena od Zemlje okoli 1,5 milijona kilometrov, zaradi česar bo servisiranje teleskopa praktično nemogoče. Naj ob tem omenimo, da Hubblov vesoljski teleskop kroži okoli Zemlje na razdalji le okoli 540 kilometrov, zaradi česar je vzdrževanje teleskopa bistveno lažje. Ker kasnejše odpravljanje morebitnih težav na mestu samem ne bo mogoče, je to za institucije, ki sodelujejo pri izvedbi (poleg ameriške NASE v projektu sodelujejo še Evropska vesoljska agencija (ESA), kanadska vesoljska agencija (CSA) in konzorcij nekaterih evropskih držav) predstavljalo še dodatno težavo: pot teleskopa do Lagrangeeve točke, razpiranje zrcal in zaščite pred toplotnim sevanjem ter utirjanje v orbito okoli točke L2 mora potekati brezhibno, saj bi kakršnekoli nepredvidene težave projekt lahko zaustavile. Razvijalci so prav zato veliko pozornosti namenili brezhibnemu delovanju posameznih delov teleskopa z velikim številom ponovnih testiranj, kar je eden od razlogov za to, da je končna cena projekta za skoraj 20-krat višja od prvotne. Doslej so v Lagrangeevi točki L2 že delovali nekateri vesoljski teleskopi kot WMAP ali vesoljski teleskop Herschell, trenutno pa v bližini L2 deluje teleskop Gaia, ki se ukvarja z merjenjem koordinat objektov v vesolju. Izdelava vesoljskega teleskopa James Webb je bila zaradi vedno višjih stroškov nekajkrat na resni preizkušnji, najbolj pa leta 2011, ko je predstavniški dom ameriškega kongresa predlagal opustitev projekta. Tudi med astronomi samimi je projekt marsikdaj doživel odpor. Nekateri so menili, da bo ta teleskop "pojedel astronomijo".

Vesoljska tehnologija

Glavni cilji vesoljskega teleskopa James Webb so preučevanje prvih zvezd in galaksij, s čimer bi lahko dobili vpogled v procese v zgodnjem vesolju, preučevanja nastanka in razvoja galaksij, preučevanja nastanka in razvoja zvezd ter nastajanja osončij in preučevanje oddaljenih osončij, lastnosti planetov in možnosti za pojav in razvoj življenja na njih.

Anatomija vesoljskega teleskopa James Webb je na videz preprosta. Sestavljen je iz optičnega dela, senzorjev, zaščite pred toplotnim sevanjem in posebne enote za upravljanje teleskopa ter komunikacijo z Zemljo. Delovanje optičnega dela teleskopa na prvi pogled spominja na običajen Newtonov reflektorski teleskop, v resnici pa je njegovo delovanje bolj zapleteno. Primarno zrcalo, ki zbira svetlobo je sestavljeno iz 18 manjših zrcal šestkotne oblike in širine 1,32 metra. Skupni premer primarnega zrcala bo tako 6,5 metra, skupna površina pa 25,4 kvadratnega metra (primarno zrcalo Hubblovega vesoljskega teleskopa ima premer 2,4 metra in skupno površino 4,5 kvadratnega metra, torej 5,6-krat manjšo površino). Sekundarno zrcalo ima premer 0,74 metra. Goriščna razdalja teleskopa je 131 metrov. Zanimivo je, da je kljub večjemu zrcalu masa primarnega zrcala za skoraj dvakrat manjša od tistega pri Hubblovem teleskopu. Zrcala vesoljskega teleskopa James Webb so namreč narejena iz berilija, ki ima nižjo gostoto ob dovolj veliki trdnosti, pri nizkih temperaturah pa je njegovo raztezanje ali krčenje zaradi sprememb temperature zanemarljivo. Zrcala so na vrhu prevlečena s tanko plastjo zlata, ki odlično odbija infrardeče sevanje. Skupna masa zlate prevleke za vsa zrcala je 48 gramov, kar je primerljivo z maso žogice za golf. Za prilagajanje položaja vsakega od 18 zrcal bo skrbelo 126 majhnih motorčkov, ki bodo sposobni premikov z natančnostjo 20 nanometrov. Senzorji vesoljskega teleskopa James Webb bodo osredotočeni na infrardeči del spektra in rdeči do oranžni del vidnega spektra, med 0,6 µm in 28,5 µm. Osnovni instrumenti na teleskopu bodo štirje. Kamera NIRcam (Near InfraRed Camera) bo snemala objekte v bližnjem infrardečem delu spektra. NIRSpec (Near InfraRed Spectrograph) bo opravljal spektralno analizo v bližnjem infrardečem spektru. MIRI (Mid-InfraRed Instrument) bo opravljal spektralno analizo v infrardečem delu spektra s srednjimi do daljšimi valovnimi dolžinami. FGS/NIRISS (Fine Guidance Sensor and Near InfraRed Imager and Slitless Spectograph) je spektrograf, katerega funkcija bo tudi skrb za pravilno usmerjenost vesoljskega teleskopa. Ker bodo instrumenti osredotočeni bolj na infrardeči del spektra, je dodaten problem, ki izhaja iz tega, skrb za dovolj intenzivno ohlajenost senzorjev, saj bi v nasprotnem primeru termični šum, ki bi ga zaznavali senzorji, bil previsok, zaradi česar bi se koristne informacije v IR-spektru popolnoma izgubile. S podobnim problemom se srečujemo ljubiteljski astrofotografi: pri daljših ekspozicijah težimo k čim manjšem termičnem šumu, zaradi česar senzorje naših kamer ali DSLR-fotoaparatov dodatno hladimo. Ta problem bo še bolj izrazit pri MIRI-kameri, ki bo ohlajena celo na 7 K (-266°C), medtem ko bodo drugi senzorji ohlajeni na "le" 50 K. Naslednje dejstvo, ki ga moramo izpostaviti, je to, da bo vesoljski teleskop James Webb veliko pozornosti namenil spektralnim analizam oddaljenih galaksij, zvezd in atmosfer planetov zunaj našega osončja. Spektralna analiza nam lahko zagotovi odlične informacije o rdečih pomikih najbolj oddaljenih galaksij. Spektri le-teh imajo namreč tako velik rdeči pomik, da teh objektov s Hubblovim vesoljskim teleskopom nismo mogli opazovati. Prav tako bo s spektralno analizo zanimivo ugotavljati, kakšna je kemična sestava atmosfer eksoplanetov in ali se nemara tam ne pojavljajo tako imenovani bioindikatorji v obliki dvoatomnega kisika ali organskih spojin. V astronomiji je znan rek: "Slika pove več kot tisoč besed, spektrogram pa več kot tisoč slik."

Zaščita pred toplotnim sevanjem Sonca, Zemlje in Lune bo skrbela za dodatno pasivno hlajenje senzorjev. Sestavlja jo pet velikih slojev iz kaptona, ki so prevlečeni s tanko plastjo aluminija. Sloji bodo v raketi zloženi, kasneje pa se bodo razprli na velikost 14 m x 21 m. Enota za upravljanje teleskopa in komunikacijo z Zemljo bo nameščena pod toplotno zaščito, saj bi lahko zaradi lastnega toplotnega sevanja moteče delovala na senzorje v teleskopu. Čas dvosmerne komunikacije z Zemljo bo deset sekund. Vesoljski teleskop James Webb bo imel nameščene potisnike, ki bodo skrbeli za pravilno pot teleskopa okoli Lagrangeeve točke. Prav delovanje potisnikov bo najbrž določalo čas delovanja teleskopa, predvidevajo pa, da bo operativen vsaj pet let, z možnostjo podaljšanja delovne dobe na deset let.

Pot teleskopa

Pri izdelavi zrcal JWST so sodelovala številna podjetja. Zrcala so tako nekajkrat prepotovala ZDA, preden je teleskop 26. septembra 2021 zapustil Kalifornijo in z ladjo skozi Panamski prekop 12. oktobra 2021 priplul v Francosko Gvajano v Južni Ameriki. V času pisanja članka je bil termin izstrelitve načrtovan za sredo, 22. decembra 2021, ob 13.20 po srednjeevropskem času. Teleskop bo v vesolje ponesla raketa Ariane 5 iz izstrelišča Kourou. Pot do končne lokacije v bližini L2 bo trajala okoli 30 dni. Po 26 minutnem delovanju rakete se bo ta ločila od teleskopa. Najprej se bodo razprli solarni paneli za oskrbovanje z energijo. V času prvega dne bodo potisniki opravili temeljne popravke smeri potovanja teleskopa. V prvem tednu naj bi se razprli tudi kaptonski senčniki. Pred prihodom v bližino L2 bi se naj razprli tudi vsi segmenti primarnega zrcala. Ko se bo vesoljski teleskop utiril v orbito okoli L2 bo potrebno še nekaj mesecev, da bodo vsi sistemi začeli polno delovati. Če bo vse potekalo po načrtih, bo vesoljski teleskop James Webb v celoti operativen v sredini leta 2022. Če bo temu res tako, bi lahko bil vesoljski teleskop James Webb - če pozabimo na veliko zamudo pri realizaciji in ogromno povečanje proračuna za celoten projekt - astronomska naprava, ki bo naše vedenje o vesolju zelo razširila in morda tudi spremenila, v nasprotnem primeru pa ... Držimo pesti za prvi scenarij!